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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Bauteilrohlings aus einer Leichtmetalllegierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zum Gießen eines Bauteilrohlings aus einer Leichtmetalllegierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Aus einer Reihe von verfahrenstechnisch vorteilhaften Gründen werden beim Gießen von Bauteilrohlingen, insbesondere für Anwendungen im Automobilbau, aus einer Leichtmetalllegierung, bevorzugt einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung, in zunehmenden Maße Verfahren genutzt, bei denen die Schmelze eine möglichst niedrige Temperatur aufweist. Die Schmelze ist dabei häufig unterkühlt und/oder thixotrop und/oder weist einen Festkörperanteil auf, ist teilerstarrt oder teilflüssig. Geläufig wird der Zustand der Schmelze als halbfest (semi-solid) oder halbflüssig bezeichnet. Besonders bedeutsam sind in diesem Zusammenhang so genannte Semi-Solid Rheocasting Verfahren (SSR-Verfahren), bei denen ein durch Abkühlung erhaltener metallischer Gießschlicker zum Einsatz gelangt, und so genannte Thixocasting Verfahren, bei denen ein thixotropes Vormaterial auf eine gewünschte Verarbeitungstemperatur aufgeheizt wird. Dabei haben die Materialparameter einen starken Einfluss: Beispielsweise aus dem Artikel von H. Kaufmann et al. in der Zeitschrift Druckgusspraxis 5/2005, Seiten 177–184, geht hervor, dass die genaue Zusammensetzung der Legierung AlSi7Mg empfindlich das Fließvermögen im flüssigen und im semi-solid Zustand beeinflusst. Im Vergleich zwischen Thixocasting und SSR-Verfahren stellt sich heraus, dass das Festkörperanteil über einen weiten Bereich einstellbar ist und ein hoher Festkörperanteil zu einer stabileren Strömungsbewegung führt (J. L. Jorstad et al. „Die Wechselwirkung der Schlüsselfaktoren beim Rheocasting Druckguss 2/2008, Seiten 85–92).
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In Bezug auf den Aluminium-Druckguss kann in einem besonders bevorzugten SSR-Verfahren eine thixotrope, fest-flüssige Suspension mit nicht-dendritischer Gefügeausbildung durch Abkühlen einer Schmelze bei gleichzeitigem Rühren mit einer Graphitstange erreicht werden (
J. Yurko „Semi-solid Formgebung von Leichtmetallen mittels Idra SSR-Verfahren", Druckgusspraxis 6/2005, Seiten 222–224). Gemäß dem Dokument
US 2005/0126737 A1 kann der auf diese Weise erhaltene halbfeste Gießschlicker unter Einsatz von geringem Druck, zum Beispiel Atmosphärendruck, in eine Gießform in viskoser Strömung eingefüllt werden.
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Alternativ dazu geht aus dem Dokument
EP 1 561 529 A1 eine Anordnung hervor, bei der ein in einer ersten Kammer hergestellter halbfester Gießschlicker in eine zweite Kammer, die über ein Angusssystem in fluidischer Verbindung mit einer Gießform steht, überführt wird. Von der zweiten Kammer aus kann der halbfeste Gießschlicker mittels eines Druckstempels in die Gießform in horizontaler Richtung hineingedrückt werden. Im Dokument
JP 2010-167430 wird eine Anordnung mit Druckstempel gezeigt, in welcher ein halbfester Gießschlicker von unten in vertikaler Richtung in eine Gießform hineingedrückt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und/oder eine Anordnung zum Gießen eines Bauteilrohlings aus einer Leichtmetalllegierung zu schaffen, das beziehungsweise die den Einsatz von verlorenen Kernen gestattet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und/oder eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Gießen eines Bauteilrohlings aus einer Leichtmetalllegierung wird eine Gießform, bevorzugt eine Gießkokille oder eine Sandform, bereitgestellt. Ein teilflüssiger Gießschlicker der Leichtmetalllegierung wird in einem Reservoir, das in fluidischer Verbindung mit der Gießform über ein Angusssystem steht, vorgehalten. Der teilflüssige Gießschlicker wird vom Reservoir über das Angusssystem in einen Hohlraum der Gießform gedrückt. Dabei wird der teilflüssige Gießschlicker mit einer derart geringen Krafteinwirkung in den Hohlraum der Gießform gedrückt, dass der teilflüssige Gießschlicker laminar vom Reservoir über das Angusssystem in den Hohlraum strömt.
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Das laminare Einströmen bei geringen Drücken unterstützt und/oder ermöglicht, dass ein in die Gießform eingebrachter verlorener Kern, insbesondere Sandkern oder Salzkern, nur einem relativ geringen Druck beziehungsweise keinen unkontrollierten Turbulenzen ausgesetzt ist. Dadurch wird ein bedeutendes Risiko für eine ungewünschte Beschädigung oder Zerstörung des verlorenen Kerns bereits beim Gießen verringert beziehungsweise vermieden. Auch wird die Gießform im Vergleich zum traditionellen, verbreiteten Druckguss weniger belastet, so dass eingeringes Beschädigungsrisiko, größere Wartungsfreiheit und eine höhere Lebensdauer für die Gießform besteht. Bei der Gießform kann es sich um eine Druckgussform handeln. Die laminare Strömung wirkt sich auch positiv auf das Gefüge des Bauteilrohlings aus.
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Der teilflüssige Gießschlicker kann auch als teilfest, halbflüssig oder halbfest bezeichnet werden. Der Gießschlicker kann auch als Gießbrei bezeichnet werden. Bevorzugt kommt ein halbfester (semi-solid) Gießbrei mit Festphasenanteil oder Festkörperanteil zum Einsatz. Das heißt, die Leichtmetallschmelze wird als ein halbfester Gießbrei, insbesondere, mit einem nicht-dendritischen, bevorzugt globulitischen Festphasenanteil, vergossen. Die Metallschmelze kann fluid, insbesondere fließfähig, flüssig, breiig, schlammig, teigig oder pastös, sein. Die Metallschmelze kann auf eine Temperatur unter die Liquidus-Temperatur abgekühlt worden sein. Die verarbeitete Metallschmelze kann thixotrop sein. Die Metallschmelze kann insbesondere globulitische und/oder nicht-dendritische Festkörper, beispielsweise sphäroide oder ellipsoide Festkörper, im flüssigen Phasenanteil aufweisen.
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Der teilflüssige Gießschlicker wird mit relativ zum Druckguss geringem Druck in die Gießform gefüllt, um einerseits eine gute Formfüllung und andererseits einen Schwindungsausgleich zu gestatten. Der Überdruck beträgt bis zu 1,5 bar, insbesondere 1,2 bar, bevorzugt unter 0,8 bar. Diese nur geringen Drücke stehen in deutlichem Gegensatz zum traditionellen Druckguss, bei dem ein typischer Metalldruck von 800 bar herrscht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher als ein Niederdruckgussverfahren bezeichnet werden. In Ergänzung des Arbeitens mit einem relativ geringen Druck, kann beim Einsatz einen Gießkolbens auch dessen Geschwindigkeit reduziert werden.
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Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte können iterativ mit dem Ziel der Herstellung einer Gruppe oder Serie von Bauteilrohlingen wiederholt, insbesondere zyklisch wiederholt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Angusssystem ein wenigstens teilweise gekrümmtes Steigrohr, insbesondere ist das Angusssystem mit einem wenigstens teilweise gekrümmten Steigrohr verbunden, und der teilflüssige Gießschlicker durchströmt laminar das wenigstens teilweise gekrümmte Steigrohr. Des Weiteren oder alternativ dazu steigt der teilflüssige Gießschlicker aus dem Reservoir im Wesentlichen in vertikaler Richtung auf und gelangt durch das wenigstens teilweise gekrümmte Steigrohr hindurch in einen weiteren Teil des Angusssystems in der Gießform im Wesentlichen in horizontaler Richtung in die Gießform. Durch diese Maßnahmen wird auf einfache Weise sichergestellt, dass der teilflüssige Gießschlicker in laminarer Strömung in die Gießform gelangt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zwei verschiedene Gruppen von Ausführungsformen in Bezug auf die Herstellung des teilflüssigen Gießschlickers: In einer ersten Gruppe von Ausführungsformen wird der teilflüssiger Gießschlicker der Leichtmetalllegierung im Reservoir hergestellt. Dieses Vorgehen hat unter anderem den Vorteil, dass die Schmelzeparameter, wie Legierungszusammensetzung, Temperatur und Festkörperanteil, zeitnah zum Gießen eingestellt werden und positiv kontrolliert werden können. In einer zweiten Gruppe von Ausführungsformen wird der teilflüssiger Gießschlicker der Leichtmetalllegierung in einer vom Reservoir verschiedenen Kammer hergestellt und von der Kammer in das Reservoir transferiert. Dieses alternative Vorgehen hat unter anderem den Vorteil, dass der Gießprozess vom Herstellungsprozess des teilflüssigen Gießschlickers zeitlich entkoppelt durchgeführt werden kann. Insbesondere können zeitaufwändige Verfahrensschritte separat von den Gießverfahrensschritten ausgeführt werden, beispielsweise können mehrere Gießzyklen während eines Herstellungszyklus realisiert werden.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren kann im Hohlraum der Gießform, die insbesondere als eine Gießkokille ausgeführt sein kann, wenigstens ein verlorener Kern angeordnet werden, bevor der teilflüssige Gießschlicker in die Gießform gedrückt wird. Auf diese Weise kann ein Bauteilrohling hergestellt werden, der wenigstens eine innere Struktur, wie einen oder mehrere Hohlräume, einen oder mehrere Hinterschnitte oder dergleichen, aufweist. Insbesondere sind flexible Formgestaltungen möglich. Nach erfolgtem Gießen und gegebenenfalls Abkühlen unter einen bestimmten Temperaturgrenzwert, können der verlorene Kern zerstört und seine Reste rückstandfrei entfernt werden.
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Es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass der erfindungsgemäße Erfolg besonders sicher für eine große Gruppe verschieden geformter Bauteilrohling dadurch realisiert werden kann, dass der Hohlraum der Gießform von einem im unteren Bereich des Hohlraums liegenden Eintrittspunkt aus mit dem teilflüssigen Gießschlicker befüllt wird. Mit anderen Worten, die Metallschmelze füllt den Hohlraum der Gießform aufsteigend, wobei insbesondere Gaseinschlüsse verringert oder sogar ganz vermeidbar sind und die Metallschmelze selbst nur mit möglichst geringer Oberfläche dem Umgebungsgas ausgesetzt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt zum Gießen einer Aluminiumlegierung, von reinem Aluminium, einer Magnesiumlegierung oder von reinem Magnesium eingesetzt. Insbesondere für Bauteile, die im Automobilbau zum Einsatz gelangen, werden im zunehmenden Maße magnesiumhaltige Leichtmetalllegierungen aufgrund deren vorteilhaften Werkstoffeigenschaften verwendet.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zum Gießen eines Bauteilrohlings aus einer Leichtmetalllegierungen ist insbesondere geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Merkmalen, wie sie in dieser Beschreibung der Erfindung nebst zugehörigen Zeichnungen einzeln oder in Kombination dargestellt sind. Die erfindungsgemäße Anordnung zum Gießen umfasst eine Gießform, bevorzugt eine einteilige oder mehrteilige Kokillenform, und ein Reservoir, das über ein Angusssystem in fluidischer Verbindung mit der Gießform steht, wobei ein teilflüssiger Gießschlicker im Reservoir vorhaltbar und vom Reservoir über das Angusssystem in den Hohlraum der Gießform drückbar ist. Dabei ist das Angusssystem zur Unterstützung einer laminaren Strömung des teilflüssigen Gießschlickers vom Reservoir zur Gießform derart ausgeführt, dass Richtungsänderungen und/oder Durchmesseränderungen entlang des Strömungspfades nur moderat, insbesondere beschränkt, sind. Dabei können der Betrag der Richtungsänderungen kleiner als ein oberer Richtungsänderungsgrenzwert und/oder der Betrag der Durchmesseränderungen kleiner als ein oberer Durchmesseränderungsgrenzwert sein. Auf diese erfindungsgemäße Weise wird das laminare Einströmen bei geringen Drücken unterstützt und/oder ermöglicht, so dass ein in die Gießform eingebrachter verlorener Kern, insbesondere Sandkern oder Salzkern, nur einem relativ geringen Druck beziehungsweise keinen unkontrollierten Turbulenzen ausgesetzt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Angusssystem der erfindungsgemäßen Anordnung ein wenigstens teilweise gekrümmtes Steigrohr. Durch diese Maßnahmen wird auf einfache Weise sichergestellt, dass der teilflüssige Gießschlicker laminar in die Gießform strömt, ohne aufgrund starker Richtungsänderungen oder starker Durchmesseränderungen zu verwirbeln oder turbulent zu werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst eine vom Reservoir verschiedene Kammer, die mit dem Reservoir in fluidischer Verbindung bringbar ist oder steht, zur Herstellung des teilflüssigen Gießschlickers der Leichtmetalllegierung. Mit einer derart weitergebildeten Anordnung kann der Gießprozess vom Herstellungsprozess des teilflüssigen Gießschlickers zeitlich entkoppelt durchgeführt werden kann. Insbesondere können zeitaufwändige Verfahrensschritte separat von den Gießverfahrensschritten ausgeführt werden, beispielsweise können mehrere Gießzyklen während eines Herstellungszyklus realisiert werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
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1 eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Gießen mit einer Kammer zum Herstellen eines teilflüssigen Gießschlickers in der Situation des Herstellens des teilflüssigen Gießschlickers,
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2 die vorteilhafte Ausführungsform der 1 in der Situation des Überführens des teilflüssigen Gießschlickers von der Kammer in das Reservoir,
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3 die vorteilhafte Ausführungsform der 1, während der teilflüssige Gießschlicker laminar vom Reservoir in das Angusssystem strömt, und
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4 die vorteilhafte Ausführungsform der 1, während der teilflüssige Gießschlicker laminar in die Gießform strömt.
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Die 1 zeigt die Topologie einer vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Gießen mit einer Gießform 10, welche aus zwei, hier geöffnet dargestellten Teilen besteht, einem Reservoir 14, welches über ein wenigstens teilweise in die Gießform 10 integriertes Angusssystem 16 und ein Steigrohr 20 fluidisch mit der Gießform 10 verbunden ist, und mit einer Kammer 22 zum Herstellen eines teilflüssigen Gießschlickers 12. In dieser 1 ist die Situation des Herstellens des teilflüssigen Gießschlickers 12 in der Kammer 22 gezeigt. Eine überhitzte Schmelze der Leichtmetalllegierung, bevorzugt einer Magnesiumlegierung, wird in die Kammer 22 gefüllt und durch Schmelzebehandlung in einen semi-solid-Zustand gebracht, so dass ein teilflüssiger Gießschlicker 12, bevorzugt mit den für den Gießprozess erforderlichen Parametern, wie insbesondere Legierungszusammensetzung, Temperatur und Festkörperanteil, hergestellt ist.
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Die 2 stellt die Topologie der vorteilhaften Ausführungsform der 1 in der Situation des Überführens des teilflüssigen Gießschlickers 12 von der Kammer 22 in das Reservoir 14 dar. Der hergestellte teilflüssige Gießschlicker 12 wird in das Reservoir 14 durch eine Überleitung 24 gedrückt und im Reservoir 14 für das Gießen vorgehalten. Im Reservoir 14 wird der teilflüssige Gießschlicker 12 gespeichert, bevorzugt ohne dessen für den Gießprozess erforderlichen Parameter zu ändern. Durch Druckbeaufschlagung des Reservoirs 14 gelangt der überhitzte und/oder teilflüssige Gießschlicker 12 in ein Steigrohr 20 und von dort aus in das Angusssystem 16. Die Druckbeaufschlagung ist derart moderat, dass nur eine geringe Kraftwirkung auf den teilflüssigen Gießschlicker 12 ausgeübt wird, so dass eine möglichst wirbelfreie oder turbulenzfreie Strömung erzeugt wird. Die Druckbeaufschlagung kann mittels eines in der Serie der Figuren nicht zeichnerisch dargestellten Druckstempels erfolgen. In der 2 ist die Gießform 10 geschlossen gezeigt, so dass ein Hohlraum 18 gebildet ist, dessen Wände die Außenkonturen des zu gießenden Bauteilrohrlings darstellen.
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Die 3 bezieht sich auf die Topologie der vorteilhaften Ausführungsform der 1, während der teilflüssige Gießschlicker 12 laminar vom Reservoir 14 durch das Steigrohr 20 in das Angusssystem 16 strömt. Das Steigrohr 20 weist an seinem unteren, in den teilflüssigen Gießschlicker 12 im Reservoir 14 hineinragenden Ende einen im Wesentlichen geraden, vertikal orientierten Abschnitt auf. Daran schließt sich ein gekrümmter Abschnitt des Steigrohres 20 an, der in einen im Wesentlichen geraden, horizontal orientierten Abschnitt endet. Der teilflüssige Gießschlicker 12 gelangt daher in im Wesentlichen horizontaler Richtung zum Angusssystem respektive Formhohlraum 18. Daher kann das erfindungsgemäße Verfahren auch als horizontales Niederdruckgießen bezeichnet werden. Weder die Krümmung noch der Durchmesser des Steigrohres 20 beziehungsweise des Angusssystems 16 ändern sich stark. Während der Durchführung des erfindungsgemäßen Gießverfahrens kann in der Kammer 22 bereits erneut, im Wesentlichen parallel und/oder simultan, sowie unabhängig vom Gießen eine Menge teilflüssigen Gießschlickers 12 hergestellt werden.
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In der 4 zeigt die Topologie der vorteilhaften Ausführungsform der 1, während der teilflüssige Gießschlicker 12 laminar in die Gießform 10 strömt. Der teilflüssige Gießschlicker 12 wird direkt über das Steigrohr 20 und das Angusssystem 16 in den Hohlraum 18 der Gießform 10 gedrückt. Der Hohlraum 18 wird dabei ausgehend von seinem unteren Bereich mit Metallschmelze gefüllt, wobei diese aufgrund der geringen Druckbeaufschlagung im Wesentlichen turbulenzfrei einströmt. Optional kann aus der Kammer 22 simultan weiterer teilflüssiger Gießschlicker 12 in das Reservoir 14 überführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gießform
- 12
- teilflüssiger Gießschlicker
- 14
- Reservoir
- 16
- Angusssystem
- 18
- Hohlraum der Gießform
- 20
- Steigrohr
- 22
- Kammer
- 24
- Überleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2005/0126737 A1 [0003]
- EP 1561529 A1 [0004]
- JP 2010-167430 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- H. Kaufmann et al. in der Zeitschrift Druckgusspraxis 5/2005, Seiten 177–184 [0002]
- J. L. Jorstad et al. „Die Wechselwirkung der Schlüsselfaktoren beim Rheocasting Druckguss 2/2008, Seiten 85–92 [0002]
- J. Yurko „Semi-solid Formgebung von Leichtmetallen mittels Idra SSR-Verfahren”, Druckgusspraxis 6/2005, Seiten 222–224 [0003]
